MATERIALES CONDUCTORES Y MATERIALES AISLANTES

CONDUCTORES Y AISLANTES

Los materiales pueden ser clasificados en conductores o aislantes, según conduzcan la electricidadcon facilidad o no lo hagan.

Esta clasificación depende de cuán firmemente estén unidos los electrones a sus estructuras, ya que esto es un indicio de la energía necesaria para otorgarles movilidad dentro del material, es decir para conducir la electricidad.

EJEMPLOS DE CONDUCTORES Y DE AISLANTES 

Esta diferenciación es útil dentro de ciertos límites. Por ejemplo, el cuarzo fundido es 10 cuatrillones de veces mejor aislante que el cobre, por lo que ambos suelen ser señalados como excelentes aislante y conductor, respectivamente. Los metales y el agua sin destilar son considerados buenos conductores, en cambio los plásticos y el vidrio son buenos aislantes.

El agua ¿conductora o aislante?

El agua en estado químicamente puro es una sustancia aislante. Sin embargo, en la naturaleza se la encuentra en solución con otras sustancias que presentan en su estructura iones con relativa libertad de movimiento. En tales condiciones, estas soluciones son muy buenas conductoras de la electricidad.

Una estrategia usada para evitar los accidentes causados por la acumulación de electricidad estáticaconsiste en aumentar la conductividad superficial por elevación de la humedad relativa. Muchas veces se instala  con este propósito un sistema de humidificación, integrado al equipo de aire acondicionado. El aire húmedo conduce la electricidad e impide que las superficies se carguen.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

A esta clasificación se agregan en la actualidad los materiales llamados semiconductores, como el silicio y el germanio, los cuales son buenos aislantes cuando están en estado cristalino puro, peroconducen la electricidad cuando se sustituyen solo algunos átomos del cristal con otros, como arsénico o boro, mediante la técnica conocida como dopado del material.

Los semiconductores tienen amplia aplicación tecnológica, por ejemplo en la fabricación de transistores.

MATERIALES SUPERCONDUCTORES

Algunos materiales que se consideran buenos conductores aumentan su conductividad hasta prácticamente el infinito cuando se los enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto (– 273 K): son los llamados superconductores.

En la actualidad, se han encontrado algunos materiales cerámicos superconductores a temperaturas de algo más de 100 K. Existen grandes expectativas respecto del diseño de materiales superconductores a  temperaturas más altas ya que permitirían un ahorro importante de energía.

MATERIALES CONDUCTORES

En los materiales conductores, la carga se distribuye en la superficie, lo que es fácilmente explicable si se tiene en cuenta la repulsión entre las cargas de igual signo y la relativa movilidad con que cuentan en los materiales de buena conductividad.

La concentración de carga depende de la curvatura de la superficie, y se puede comprobar experimentalmente que la máxima concentración se da en los értices o puntas.

El cuerpo humano puede ser considerado como un buen conductor. Cuando la humedad relativa es baja, puede acumular cargas bastante altas, ocasionadas por ejemplo, por la fricción del calzado con suelos aislantes.

También puede observarse la fricción de las prendas de seda, lana o fibras sintéticas, que al ser retiradas provocan muchas veces pequeñas chispas eléctricas visibles y también audibles como un débil chisporroteo.

Estas consideraciones adquieren significativa importancia en cuanto a evitar accidentes para aquellas personas que trabajan con materiales altamente inflamables y también para las que manipulan con equipos electrónicos muy sensibles, ya que éstos podrían sufrir algún desperfecto por la acción de esa pequeña descarga.

MATERIALES DIELÉCTRICOS

Los materiales dieléctricos contienen una serie de cargas ligadas que no ejercen tanta libertad de movimiento como los materiales conductores. Además, a diferencia de los materiales aislantes puede ser sometido a campos eléctricos externos sin afectar al campo eléctrico interno. Sus materiales se componen de átomos y moléculas cuya distribución interna de cargas desplaza o modifica los campos eléctricos. Esto resuelve el hecho de que todos los materiales dieléctricos pueden ser considerados aislantes, pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos. Algunos ejemplos de este material incluye la madera, el papel, la cera, la cerámica, la goma o el vidrio. Asimismo, los gases considerados dieléctricos son el nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.

RESISTENCIA ELÉCTRICA EN MATERIALES CONDUCTORES O AISLANTES

La resistencia eléctrica, con el Ohmnio como unidad de medida y representada por la letra griega “omega” o “R” (como expresión), es la oposición que tienen los electrones al moverse a través de un determinado material conductor. Los factores más importantes que determinan la resistencia a la electricidad son el tipo de material por el que pasan, su longitud, la temperatura a la que está sometida y la forma de la sección transversal. Un material aislante, conductor o semiconductorpuede conducir la electricidad mejor o peor dependiendo de su configuración atómica.

Estas características pueden actuar de la siguiente manera:

Al contrario de lo que sucede en un cable de unos pocos centímetros, el material de mayor longitud siempre ofrecerá mayor resistencia al paso a la electricidad. Asimismo, cuando el tipo de material posee una mayor sección transversal, menor será la resistencia al paso de la corriente. Las temperaturas elevadas tampoco ayudan al paso de la corriente, de ahí que sea importante alejar los cables de determinados elementos electrónicos.

MATERIALES CONDUCTORES TÉRMICOS

Aunque la mayoría de las veces cuando hacemos referencia a un material conductor nos referimos a su capacidad para dejar pasar o circular libremente la energía eléctrica. Sin embargo, también se puede hablar de materiales conductores del calor.

En este caso se trata de materiales que son capaces de absorber el calor de otros materiales mediante el contacto con ellos. En este sentido, un material conductor del calor transmitirá su calor a otro conductor que esté más frío y sus temperaturas tenderán a igualarse.

La conductividad térmica suele ser alta en los metales y en los cuerpos sólidos en general mientras que suele ser mucho más baja en lo que a los gases se refiere. Además, esta conductividad térmica no existe en el vacío ya que para que se produzca se necesitan algún tipo de sustancia.

Algunos de los materiales que mejor conducen el calor son el aluminio, el plomo, el cinq, el estaño, el bronce, el hierro, el litio, la plata…

MATERIALES AISLANTES TÉRMICOS

Al contrario de los que pudiera parecer, un aislante térmico no es exactamente todo lo contrario a un conductor térmico. Es cierto que los conductores térmicos ofrecen menos resistencia al paso del calor, pero se podría decir que todas las sustancias son, aunque sea muy poco, conductoras del calor, incluso los aislantes térmicos.

Efectivamente, casi cualquier cuerpo o sustancia a la que se le aplique calor aumentará su temperatura. La diferencia es que algunas resisten mucho más antes de que se produzca este cambio de temperatura. Esto permite a ciertos materiales ser utilizados como aislantes del calor. Son materiales que tienen la suficiente resistencia al calor para el uso que se les quiere dar. Por ello, uno de los mejores aislantes térmicos es el propio vacío, ya que no existe sustancia alguna que se pueda calentar.

Los aislantes térmicos se pueden usar para infinidad de usos, por ejemplo para recubrir las cabinas de los aviones o reforzar áreas cerradas rodeadas de altas temperaturas.

Algunos de los materiales aislantes específicos que son legalmente válidos son el poliestireno expandido , la lana mineral (lana de roca), los Losas de lana de madera , el poliestireno extruido, la espuma de poliuretano o el corcho expandido

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Cómo funciona un pararrayos

Benjamin Franklin

El pararrayos es un elemento imprescindible en cualquier edificación en altura. Incluso la normativa actual de construcción especifica la necesidad de la instalación del pararrayos en edificios residenciales, industriales o terciarios … pero, ¿Cómo funciona un pararrayos?

Historia del pararrayos

El primer pararrayos conocido se instaló en Filadelfia, hace ya varios siglos.

Como todo el mundo sabe, el pararrayos fue inventado por Benjamin Franklin en el año 1752. Para comprobar que un rayo no era más que una corriente eléctrica, hizo volar una cometa en medio de una tormenta, atando en el otro extremo de la cuerda una llave metálica. De esta forma, la corriente generada por el rayo que cayera en el extremo superior de la cometa, atravesaría la cuerda mojada, llegando a la llave (colocada cerca del suelo) y haría saltar chispas por el puente eléctrico producido.

En realidad, Benjamin Franklin tuvo suerte de no morir, ya que un rayo descarga unos 20.000 amperios a una temperatura de 30.000 ºC. Para que nos hagamos una idea de la intensidad de corriente que hace circular un rayo, los enchufes domésticos están diseñados para una intensidad máxima de 16 amperios.

Muchos materiales considerados como aislantes de la corriente eléctrica, son capaces de conducir la corriente si se les aplica una diferencia de tensión suficiente entre sus extremos. Además, la resistencia que generan los materiales, producen un enorme calor, lo que provoca los daños característicos del rayo; por ejemplo, el contenido de agua se evapora instantáneamente con el paso de la corriente generada por un rayo.

El hecho anterior, explica porque un árbol se parte cuando le cae un rayo:

La intensidad de corriente generada por el rayo y que atraviesa el árbol, unido a la resistencia al paso de la corriente que genera la madera, provoca una temperatura en el árbol tan alta que hace que se evapore instantáneamente el agua que contiene, secándose, variando su tamaño y partiéndose en dos.

Benjamin Franklin, colocó cables en las fachadas de los edificios de Filadelfia, ciudad en la que vivía. Cunado descargaba un rayo, la electricidad, que como el agua tiende a seguir el camino más fácil (tiende a seguir el mejor conductor y el camino más corto), fluía a lo largo de los conductores en lugar de por el edificio.

Cómo funciona un pararrayos

Como es sabido, las nubes, tras ser frotadas continuamente con los vientos que recorren la tierra, se cargan negativamente, acumulando gradualmente cierto potencial eléctrico. La tierra tiene potencial “0”, por lo que cuando el potencial de las nubes es elevado, se produce un arco de descarga que genera una gran corriente partiendo de las nubes y llegando hasta la tierra.

Sabido es que la electricidad sigue el camino más fácil, y el material que es mejor conductor. Así, el funcionamiento del pararrayos es el siguiente:

1. Se eleva un elemento conductor por encima del edificio (el pararrayos), que es mejor conductor que el aire y que el propio edificio.
2. La corriente generada por un rayo que caiga cerca de este elemento, o lo que es lo mismo, cerca del edificio al que protege el pararrayos, “optará” por ir a través delpararrayos, ya que conduce mejor la electricidad que el aire o la propia edificación.
3. Se une el pararrayos a la tierra, mediante picas o conductores, para que disipen la electricidad.

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Como hacer un electroscopio casero

 Electroscopio:  de hoja de oro es un instrumento que aprovecha la repulsión de las cargas iguales para detectar las cargas pequeñas: tiene una tira de hoja de oro articulada a una placa metálica, sobre la que descansa. Cuando se ha cargado el electroscopio (tocándolo con una barra cargada), la hoja de oro y la placa adquieren una carga similar, y se repelen. La hoja se separa de la placa, dándonos una indicación visual de que existe una carga.

Un electroscopio se puede cargar también por inducción. Si se le acerca una barrita de politeno cargada, la hoja se separa de la placa, aunque la barra no haya tocado siquiera el electroscopio. El instrumento en su conjunto sigue teniendo el mismo número de cargas positivas y negativas. Pero éstas son atraídas hacia la parte superior del instrumento por el politeno, y las cargas positivas son repelidas hacia abajo, hacia la hoja y hacia la placa, haciéndolas separarse.

El fenómeno de la inducción electrostática es importante en el pararrayos, consistente por lo general en una barra metálica (colocada en lo alto de un elevado edificio) en conexión con latierra, por un grueso cable de metal. Cuando una nube de tormenta, de carga negativa, pasa sobre el edificio, se inducen en el techo de éste cargas positivas. Existe entonces peligro de que se produzca una descarga o rayo entre la nube y el edificio. Pero cuando hay un pararrayosencima de éste, las cargas positivas se concentran en él. Y como tiene la punta afilada, la concentración de cargas, y con ella el campo eléctrico local, son altísimos. Las moléculas del aire situado encima pueden descomponerse en cargas positivas y negativas; formando lo que se llama un «viento iónico». Una corriente de cargas positivas puede subir hasta la nube, neutralizando así sus cargas negativas, pero si se produce una descarga eléctrica pasa a tierrasin hacer daño, a través del cable.

Fenómeno de inducción

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Carga por inducción electrostática

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargada. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.

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